Понимание вырождения эмиттера: теория, расчеты и выгоды цепи

Вырождение эмиттера является фундаментальной техникой в конструкции усилителя биполярного транзистора (BJT), которая значительно улучшает производительность и надежность цепи. Добавляя небольшой резистор между излучателем и общим источником сигнала, дизайнеры могут достичь лучшей стабильности, снижения искажений и более предсказуемых характеристик усиления. Это всеобъемлющее руководство исследует теорию, математические расчеты, практическую реализацию и многочисленные преимущества дегенерации эмиттера в схемах транзисторных усилителей.

Что такое эмиттерная дегенерация?

Вырождение эмиттера в усилителе можно описать как когда не обходятся все или часть резистора эмиттера для ac или rf. В типичной конфигурации усилителя общего эмиттера резистор, используемый для смещения постоянного тока, часто обходят конденсатором для максимизации усиления переменного тока. Однако, когда этот конденсатор удаляется или когда дополнительный необходимый резистор добавляется последовательно с эмиттером, схема проявляет дегенерацию эмиттера.

Термин «дегенерация» относится к снижению усиления напряжения, которое происходит при применении этой техники. Хотя это может первоначально показаться недостатком, компромисс приносит значительные улучшения в других характеристиках схемы, которые часто перевешивают снижение усиления. Дегенерация эмиттера является важным свойством в стабильной конструкции усилителя, что делает его стандартной практикой в профессиональной конструкции аналоговой схемы.

Теория вырождения эмиттера

Механизм отрицательной обратной связи

Выделение эмиттера вводит в схему транзисторного усилителя форму отрицательной обратной связи. При подаче на основание транзистора сигнала переменного тока вызывает изменения тока эмиттера. При наличии необходного резистора эмиттера эти изменения тока создают соответствующие изменения напряжения на резисторе. Это напряжение противостоит входному сигналу, эффективно снижая напряжение сети между базой и эмиттером (V]BE].

Этот механизм отрицательной обратной связи делает вырождение эмиттера таким ценным. Обратная связь автоматически компенсирует изменения параметров транзистора, изменения температуры и другие факторы, которые в противном случае вызвали бы непредсказуемое поведение цепи. Результатом является более стабильный, линейный и предсказуемый усилитель.

Повышение чувствительности и транзиторных параметров

Базовый BJT-усилитель общего излучателя имеет очень высокий коэффициент усиления, который может широко варьироваться от одного транзистора к другому. Прирост является сильной функцией как температуры, так и тока смещения, что делает его несколько непредсказуемым в практических приложениях. Параметр усиления тока бета (β) может значительно варьироваться даже среди транзисторов из одной и той же производственной партии.

Без дегенерации эмиттера усиление напряжения усилителя общего эмиттера в первую очередь определяется транспроводностью (g]m) транзистора и сопротивлением нагрузки коллектора.Так как транспроводность прямо пропорциональна току коллектора и обратно пропорциональна температуре, усиление становится высокочувствительным к условиям работы. Дегенерация эмиттера снижает эту чувствительность, делая усиление более зависимым от соотношения внешних резисторов, а не внутренних параметров транзистора.

Анализ малых сигналов

Чтобы понять дегенерацию эмиттера с точки зрения малого сигнала, нам нужно рассмотреть внутреннее сопротивление эмиттера транзистора (r ]e . Этот параметр представляет динамическое сопротивление перехода от основания к эмиттеру и вычисляется как re = VTEE, где VT является тепловым напряжением (приблизительно 26 мВ при комнатной температуре) и IE является током эмиттера.

Когда внешний излучатель резистор (R]E) добавляется без обхода, общее сопротивление в цепи излучателя становится re+RE.Это повышенное сопротивление снижает эффективную транспроводность стадии усилителя, тем самым уменьшая коэффициент усиления напряжения.Однако, поскольку RE, как правило, намного больше, чем re, коэффициент усиления в основном определяется значениями внешнего резистора, а не внутренними параметрами транзистора.

Вычисление параметров эмиттерной дегенерации

Формулы увеличения напряжения

Напряжение усилителя общего эмиттера с дегенерацией эмиттера может быть выражено в нескольких эквивалентных формах.Напряжение напряжения дается -RC/[r]eEE, где RC является коллекторным резистором, re является внутренним сопротивлением эмиттера, а RE является внешним резистором дегенерации эмиттера.

Когда резистор внешнего излучателя намного больше, чем внутреннее сопротивление излучателя (R]E >> re), что часто бывает в практических конструкциях, формула усиления значительно упрощает. Малый сигнальный коэффициент усиления общего усилителя излучателя с сопротивлением излучателя составляет приблизительно RL/RE. Это приближение чрезвычайно полезно для быстрых расчетов конструкции и показывает, что коэффициент усиления по существу определяется соотношением двух внешних резисторов.

Используя подход транспроводимости, усиление также может быть выражено как AV = -gmRC/ (1 + gmRE) Эта форма особенно полезна при работе с таблицами данных транзисторов, которые определяют транспроводимость или при выполнении компьютерного анализа.

Выбор резистора Emitter

Выбор подходящего значения для резистора дегенерации излучателя предполагает балансирование нескольких конкурирующих требований. Резистор должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить адекватную стабильность и получить контроль, но не настолько большим, чтобы он компрометировал точку смещения постоянного тока или требовал избыточного напряжения питания.

Для желаемого усиления напряжения AV, излучатель-резистор может быть вычислен как RE = RC / |AV, при условии, что применяется упрощенная формула усиления. Например, если вы хотите получить коэффициент усиления 10 и выбрали коллектор-резистор 4,7 кОм, резистор дегенерации излучателя должен быть приблизительно 470 Ом.

Для случаев, когда требуется усиление больше 5-10, RE может стать настолько малым, что необходимое хорошее условие смещения, VE = REE > 10* VT не может быть достигнуто.В таких ситуациях конструкторы часто используют конфигурацию резистора с разделённым излучателем с помощью конденсатора обхода, о чём мы поговорим более подробно позже.

Расчеты входных импедансов

Одним из существенных преимуществ дегенерации эмиттера является увеличение входного импеданса. Базовое входное сопротивление (β+1) в разы превышает общее сопротивление в цепи эмиттера. Это называется правилом отражения сопротивления и применяется к модели BJT малого сигнала T.

Входное сопротивление, вычисляемое в основании, может быть вычислено как Rin = (β + 1)[r]eE, когда REee, это упрощает приблизительно Rin≈[[β + 1]RE, что представляет собой существенное увеличение по сравнению с усилителем без дегенерации эмиттера, где входное сопротивление будет только (β + 1)re.

Полное входное импеданс стадии усилителя также должно учитывать резисторы смещения.Эффективное входное сопротивление представляет собой параллельную комбинацию резисторов смещения и базового входного сопротивления: R в = R1 | | R2 в в, где R1 и R2 являются резисторами смещения делителя напряжения.

Соображения в отношении импеданса выхода

Выходное импеданс усилителя общего эмиттера с дегенерацией эмиттера определяется в первую очередь резистором коллектора и выходным сопротивлением транзистора.Для большинства практических применений выходное импеданс может быть приближен как параллельное сочетание резистора коллектора и любого внешнего сопротивления нагрузки.

В то время как дегенерация эмиттера значительно улучшает входное импеданс, его влияние на выходное импеданс минимально в конфигурации общего эмиттера. Выходное импеданс остается относительно высоким, что является одной из причин, почему часто сопровождаются буферными стадиями, такими как последователи эмиттера при движении низкоимпедансных нагрузок.

Практическая реализация схемы

Основная схема дегенерации эмиттера

Базовый усилитель общего эмиттера с дегенерацией эмиттера состоит из транзистора, делителя напряжения для смещения базы (R]1 и R2), резистора коллектора (RC) и необходного резистора эмиттера (RE). Конденсаторы связи ввода и вывода используются для блокирования постоянного тока, позволяя передавать сигналы переменного тока.

Излучатель-резистор можно разделить на два резистора, и общее сопротивление не изменилось. Так, не изменился анализ смещения постоянного тока. Такой подход сплит-резистора позволяет конструкторам поддерживать правильное смещение постоянного тока при реализации контролируемых количеств дегенерации переменного тока.

Сплит резистор Emitter с помощью Bypass Capacitor

Когда требуется более высокий коэффициент усиления при сохранении преимуществ устойчивости дегенерации эмиттера, конструкторы часто используют конфигурацию сплит-эмиттерного резистора.Одиночный резистор смещенной сети заменяется парой резисторов, RE и RSW, наряду с обводным конденсатором, CE.

Для постоянного тока конденсатор открыт, а эффективное сопротивление смещения излучателя - RE + RSW. Для переменного тока конденсатор будет вести себя идеально как короткий, поэтому сопротивление излучателя переменного тока упадет до просто RSW. Эта конфигурация обеспечивает отличную стабильность постоянного тока благодаря полному сопротивлению излучателя, позволяя при этом более высокий коэффициент усиления переменного тока благодаря уменьшенному сопротивлению излучателя переменного тока.

Способ восстановления небольшого усиления напряжения сигнала при сохранении желаемого рабочего смещения постоянного тока заключается в использовании конденсатора обходного действия. Малый сигнал переменного тока видит сопротивление излучателя всего RE1, в то время как для смещения постоянного тока сопротивление излучателя представляет собой комбинацию последовательностей RE = RE1+RE2. Значение обводного конденсатора должно быть выбрано для обеспечения низкого импеданса на самой низкой частоте интереса в приложении.

DC Bias Design (нестандартный дизайн)

Правильное смещение постоянного тока имеет важное значение для надежной работы усилителя. Добавленное падение напряжения на RE (RE*IE) фактически делает рабочую точку (IC) гораздо менее чувствительной к уровню смещения. Эта улучшенная стабильность смещения является одним из ключевых преимуществ использования дегенерации излучателя.

Общий подход к проектированию заключается в распределении напряжения питания на три примерно равные части: одна треть через резистор коллектора, одна треть через транзистор (V ] CE ) и одна треть через резистор излучателя. Это обеспечивает хорошую способность к качению сигнала при сохранении транзистора в его активной области. Затем базовое напряжение устанавливается примерно на 0,7 В выше напряжения излучателя, чтобы переместить напряжение от основания к эмиттеру.

Руководящие принципы выбора компонентов

При выборе компонентов для эмиттер-дегенеративного усилителя вступают в игру несколько практических соображений. Резисторы смещения (R]1 и R2) должны быть выбраны для обеспечения жесткого делителя напряжения, который не сильно загружен током базы. Общее правило большого пальца состоит в том, чтобы сделать ток через делитель напряжения примерно в 10 раз больше тока базы.

Конденсаторы соединения должны быть достаточно большими, чтобы обеспечить низкое импедансное сопротивление на самой низкой частоте работы. Частота среза для конденсатора входного соединения определяется fc = 1/ (2πCinRin, где Rin является входным импедансом стадии усилителя. Аналогично, выходная частота стыковочного конденсатора сцепления зависит от выходного импеданса и сопротивления нагрузки.

Для обводного конденсатора в сплит-резисторах значение должно быть выбрано для обеспечения низкочастотного отсечки значительно ниже интересующих частот сигнала.Обходный конденсатор создает частотно-зависимый отклик, причем усиление увеличивается на более высоких частотах, где конденсатор эффективно закорачивает часть сопротивления излучателя.

Преимущества эмиттерной дегенерации

Улучшение стабильности прибыли

Нарастание напряжения зависит почти исключительно от соотношения резисторов RL/RE, а не от внутренних и непредсказуемых характеристик транзистора. Это, пожалуй, самое значительное преимущество дегенерации излучателя. Делая усиление зависимым от внешних соотношений резисторов, а не от параметров транзистора, конструкторы могут достичь предсказуемой и повторяемой производительности на разных транзисторах и рабочих условиях.

Независимо от показателей усиления транзисторов, которые сильно различаются, даже в пределах одной партии, мы теперь можем запрограммировать наш выигрыш на практические уровни. Эта предсказуемость усиления имеет решающее значение в производственных средах, где усилители должны соответствовать спецификациям независимо от нормальных вариаций компонентов.

Улучшенная линейность и снижение искажений

Таким образом, характеристики искажения и устойчивости схемы улучшаются за счет уменьшения усиления.Негативная обратная связь, вносимая дегенерацией излучателя, линеаризует передаточную характеристику транзистора, уменьшая гармонические искажения в выходном сигнале.

Проблемы, связанные с схемой, — низкий входной динамический диапазон, наложенный пределом малого сигнала; при превышении этого предела происходит высокое искажение и транзистор перестает вести себя как его модель малого сигнала.Вырождение эмиттера расширяет линейный рабочий диапазон усилителя, позволяя ему обрабатывать более крупные входные сигналы до того, как искажение станет значительным.

Улучшенная линейность делает эмиттер-дегенеративные усилители особенно подходящими для приложений, требующих низкого искажения, таких как аудиоусилители, приборные усилители и схемы обработки сигналов высокой точности.Сокращение гармонических и интермодуляционных искажений может быть существенным, часто улучшая показатели искажений на 10 дБ или более по сравнению с усилителями без дегенерации.

Температурная стабильность

Изменения температуры существенно влияют на параметры транзистора, в частности на напряжение базового эмиттера и усиление тока. Без дегенерации эмиттера эти изменения, вызванные температурой, могут вызвать существенные сдвиги в коэффициенте усиления усилителя и точке смещения. Дегенерация эмиттера обеспечивает автоматическую компенсацию этих температурных эффектов.

По мере повышения температуры напряжение базового эмиттера уменьшается (приблизительно -2 мВ/°С), что обычно приводит к увеличению тока коллектора. Однако при дегенерации эмиттера повышенный ток вызывает большее падение напряжения на резисторе эмиттера, что противодействует изменению напряжения базового эмиттера. Это отрицательное действие обратной связи стабилизирует рабочую точку против изменений температуры.

Температурная стабильность, обеспечиваемая дегенерацией эмиттера, особенно важна в приложениях, где усилитель должен работать в широком температурном диапазоне или где рассеивание мощности вызывает значительное самонагрев.Военные, автомобильные и промышленные приложения часто полагаются на эту температурную компенсацию для поддержания надежной работы.

Увеличение входного импеданса

Входное сопротивление или импеданс нашего усилителя теперь становится бета (a.c.) раз Re, что в данном случае было что-то вроде 90 * 500 Ом = 45000. Это довольно высокий показатель и это означает, что предыдущая стадия не будет загружена. Это увеличенное входное импеданс является основным практическим преимуществом в многоступенчатых конструкциях усилителей.

Более высокое входное импедансное сопротивление снижает нагрузочное воздействие на ходовую ступень, позволяя лучше передавать сигнал и предотвращая потерю усиления из-за взаимодействий импеданса источника.Это особенно важно при каскадных множественных стадиях усилителя или когда источник сигнала имеет значительное выходное импедансное сопротивление, такое как пьезоэлектрические датчики, микрофоны высокого давления или определенные типы преобразователей.

Увеличение входного импеданса пропорционально сопротивлению дегенерации излучателя, что дает разработчикам простой способ достижения желаемых значений входного импеданса. Эта гибкость ценна в приложениях, соответствующих импедансу, и при проектировании усилителей для взаимодействия с конкретными источниками сигнала.

Расширение полосы пропускания

По мере увеличения резистора излучателя коэффициент усиления уменьшается, а пропускная способность увеличивается. Этот компромисс между коэффициентом усиления и пропускной способностью является фундаментальной характеристикой дегенерации излучателя и может использоваться для оптимизации производительности усилителя для конкретных приложений.

Вырождение эмиттера снижает усиление усилителя общего эмиттера, но расширяет полосу пропускания, частично загрузив емкость основания-эмиттера и понизив константу времени Cμ, уменьшив коэффициент усиления. Эффект Миллера, который умножает емкость базы-коллектора и ограничивает высокочастотную реакцию, уменьшается, когда увеличение напряжения уменьшается через дегенерацию эмиттера.

Для широкополосных усилителей, таких как видеоусилители, радиочастотные усилители и высокоскоростные системы сбора данных, расширение полосы пропускания, обеспечиваемое дегенерацией излучателя, может иметь решающее значение.Дизайнеры могут торговать избыточным приростом для увеличения полосы пропускания, достигая оптимального баланса для своих конкретных требований к приложению.

Снижение чувствительности к бета-вариациям

Прирост тока (β) биполярных транзисторов значительно варьируется между отдельными устройствами, даже от одной и той же производственной партии. Он также изменяется с током коллектора, температурой и старением. Без дегенерации эмиттера эти изменения β непосредственно влияют на усиление усилителя, делая производительность схемы непредсказуемой.

Вырождение эмиттера делает усиление усилителя в значительной степени независимым от β при условии, что β достаточно велик (обычно больше 50). Эта β-независимость достигается потому, что усиление определяется в первую очередь соотношением внешних резисторов, а не текущим усилением транзистора. Результатом является согласованная производительность усилителя на разных транзисторах и условиях работы.

Это снижение чувствительности к β-вариациям упрощает изготовление и снижает необходимость выбора или сопоставления транзисторов. Также повышает долгосрочную надежность, так как производительность усилителя остается стабильной даже при дрейфе параметров транзистора с возрастом.

Дизайн компромиссы и соображения

Снижение прибыли

Основным недостатком дегенерации эмиттера является снижение усиления напряжения. Хотя этот компромисс обычно стоит для улучшения стабильности и линейности, это означает, что для достижения желаемого общего выигрыша системы может потребоваться больше стадий усиления. В приложениях, где максимальный выигрыш от каждой стадии имеет решающее значение, снижение коэффициента усиления может быть ограничивающим фактором.

Однако снижение коэффициента усиления часто можно смягчить благодаря тщательной конструкции. Использование сплит-эмиттерного резистора с частичным обходом позволяет конструкторам достичь компромисса между коэффициентом усиления и стабильностью. Кроме того, предсказуемый коэффициент усиления, обеспечиваемый дегенерацией эмиттера, часто позволяет создавать более эффективные многоступенчатые конструкции, поскольку каждый этап может быть спроектирован с точными значениями коэффициента усиления.

Требования к напряжению питания

Вырождение эмиттера требует дополнительного зазора напряжения в источнике питания для размещения падения напряжения на резисторе-излучателе. В низковольтных приложениях это может быть значительным ограничением. Напряжение на резисторе-излучателе уменьшает доступное качание напряжения на коллекторе, потенциально ограничивая максимальную амплитуду выходного сигнала.

Конструкторы должны тщательно уравновесить количество дегенерации излучателя против имеющегося напряжения питания и требуемого качения сигнала. В приложениях с питанием от батареи или низким напряжением это может ограничить количество дегенерации, которое может быть практически реализовано. Альтернативные методы, такие как использование меньших резисторов дегенерации или использование различных топологий усилителя, могут быть необходимы в конструкциях с ограниченным напряжением.

Шумовые соображения

Резистор дегенерации излучателя вносит тепловой шум в усилитель, который может ухудшить отношение сигнал-шум. Шумовой вклад пропорционален значению сопротивления и температуре. В низкошумных приложениях, таких как чувствительные приборы или РЧ-интерфейсы, этот шумовой вклад должен быть тщательно рассмотрен.

Шумовой показатель вырожденного излучателем усилителя обычно выше, чем у усилителя без дегенерации, при прочих равных условиях. Однако улучшенная линейность и уменьшенное искажение могут фактически улучшить общее качество сигнала во многих практических ситуациях. Дизайнеры должны оценить конкретные требования своего применения для определения оптимального количества дегенерации излучателя.

Формирование частотного ответа

При использовании обводного конденсатора с расщепленным эмиттерным резистором частотная реакция усилителя становится более сложной. Обходный конденсатор создает в цепи эмиттера частотно-зависимое импедансное сопротивление, в результате чего коэффициент усиления изменяется с частотой. На низких частотах, где импеданс конденсатора высок, полное сопротивление эмиттера эффективно, что приводит к более низкому коэффициенту усиления. На высоких частотах, где конденсатор действует как короткое замыкание, на коэффициент усиления влияет только необходованная часть сопротивления эмиттера, что приводит к более высокому коэффициенту усиления.

Это частотно-зависимое поведение может быть использовано предпочтительно для формирования частотной реакции усилителя. Тщательно выбирая значение обходного конденсатора и отношение обойденного к необойденному сопротивлению излучателя, конструкторы могут создавать усилители со специфическими частотными характеристиками отклика. Этот метод обычно используется в аудиоусилителях для реализации басового усиления или требл-разреза, а в радиочастотных усилителях для оптимизации распределения усиления по интересующей частотной полосе.

Применение Emitter Degeneration

Аудио усилители

Вырождение эмиттера широко используется в конструкции аудиоусилителя, где низкое искажение и устойчивый прирост имеют первостепенное значение. Улучшенная линейность напрямую приводит к улучшению качества звука с уменьшенным гармоническим искажением. Аудио-усилители, схемы управления тоном и этапы управления обычно используют дегенерацию излучателя для достижения высокой точности производительности.

В многоступенчатых аудиоусилителях дегенерация излучателя на входных стадиях помогает поддерживать низкий уровень шума и искажения, обеспечивая при этом предсказуемый прирост.Повышенное входное сопротивление также полезно при взаимодействии с источниками высокого давления, такими как гитарные пикапы, микрофоны или другие аудиопреобразователи.

РЧ и коммуникационные схемы

Усилители с общим эмиттером также используются в радиочастотных схемах, например для усиления слабых сигналов, принимаемых антенной.В радиочастотных приложениях дегенерация излучателя обеспечивает несколько преимуществ, включая улучшенное соответствие импедансу входа, снижение чувствительности к вариациям параметров транзистора и расширенную полосу пропускания.

Расширение полосы пропускания, обеспечиваемое дегенерацией излучателя, особенно ценно в широкополосных усилителях радиочастот и усилителях промежуточной частоты (IF). Методика помогает достичь плоской реакции усиления в желаемом частотном диапазоне при сохранении стабильности и предотвращении колебаний.

Измерение и приборостроение

Усилители приборов требуют высокой стабильности, низкого дрейфа и предсказуемых характеристик усиления - все атрибуты, усиленные дегенерацией излучателя. Снижение чувствительности к температуре и вариации параметров транзистора делает излучатели-дегенераторы идеальными для приложений точного измерения.

В системах сбора данных, сенсорных интерфейсах и испытательном оборудовании стабильная и предсказуемая производительность усилителей, дегенерированных излучателем, обеспечивает точную обработку сигнала в различных условиях окружающей среды.Улучшенная линейность также уменьшает ошибки измерения, вызванные искажением усилителя.

Дифференциальные усилители

Дифференциальные стадии усилителя, образующие входные стадии операционных усилителей и многие другие аналоговые схемы, обычно используют дегенерацию эмиттера.В дифференциальной паре резисторы дегенерации эмиттера улучшают отторжение в общем режиме, увеличивают импеданс входа и повышают линейность.Эти улучшения имеют решающее значение для достижения высокопроизводительного дифференциального усиления.

Использование дегенерации излучателя в дифференциальных усилителях также помогает сбалансировать две стороны дифференциальной пары, уменьшая смещенные напряжения и улучшая согласование.Это особенно важно в реализациях интегральных схем, где трудно достичь точного соответствия дискретных компонентов.

Передовые технологии и вариации

Активная дегенерация эмиттера

Вместо использования пассивного резистора для дегенерации эмиттера конструкторы могут реализовать активную дегенерацию с использованием источников тока или дополнительных транзисторов.Активная дегенерация может обеспечить более высокое эффективное сопротивление, не потребляя столько же постоянного напряжения, что делает ее привлекательной для низковольтных приложений.

Источник тока в эмиттере обеспечивает очень высокое сопротивление переменного тока при сохранении постоянного тока. Это позволяет значительно улучшить стабильность без падения напряжения большого резистора. Активная дегенерация обычно используется в конструкциях интегральных схем, где источники тока могут быть эффективно реализованы.

Частотно-зависимая дегенерация

Помещая реактивные компоненты (конденсаторы или индукторы) последовательно или параллельно с резистором дегенерации излучателя, конструкторы могут создавать частотно-зависимую дегенерацию. Этот метод позволяет изменять количество дегенерации с частотой, что позволяет создавать сложные формы частотного отклика.

Например, конденсатор параллельно с эмиттерным резистором обеспечивает большую дегенерацию на низких частотах и меньшую на высоких частотах, создавая характеристику высокого прохода.Наоборот, индуктивность последовательно с эмиттерным резистором увеличивает дегенерацию на высоких частотах, создавая эффект низкого прохода.Эти методы ценны в схемах эквалайзера, регуляторах тона и частотно-селективных усилителях.

Программируемая дегенерация

В некоторых приложениях желательно динамически регулировать количество дегенерации эмиттера. Это может быть достигнуто с помощью коммутируемых резисторов, цифровых потенциометров или элементов переменного сопротивления, таких как FET, работающих в их линейной области.

Программируемая дегенерация позволяет регулировать характеристики усиления, полосы пропускания или линейности. Это полезно в схемах автоматического управления усилением (AGC), адаптивных эквалайзерах и программно-определяемых радиоприложениях, где параметры схемы должны быть отрегулированы в ответ на изменение условий сигнала.

Устранение неполадок и общие проблемы

Обходные отказы конденсатора

Если вы не сумеете снимать отдельные ступени в дефектном усилителе и обратите внимание, что сигнал, выходящий из ступени, значительно меньше, чем вы ожидали бы, учитывая величину входа - подозреваемый излучатель обходного конденсатора. Иногда они идут по открытой схеме. Открытый обходной конденсатор эффективно добавляет полную дегенерацию излучателя, резко снижая коэффициент усиления.

Электролитические конденсаторы, обычно используемые для обходных применений из-за их высоких значений емкости, особенно подвержены сбоям с течением времени. Они могут высыхать, терять емкость или развивать высокое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Регулярное тестирование и профилактическая замена электролитических конденсаторов в критических приложениях могут предотвратить этот режим сбоя.

Неправильные резисторы

Использование неправильных значений излучателя-резистора может привести к различным проблемам. Слишком большое количество дегенерации приводит к недостаточному увеличению и может привести к тому, что усилитель не будет соответствовать техническим характеристикам. Слишком малое количество дегенерации не обеспечивает адекватную стабильность и улучшение линейности.

При устранении неполадок с усилением всегда проверяйте, соответствуют ли значения излучателя резистора расчетным расчетам. Также проверяйте, не изменились ли резисторы значения из-за перегрева, поглощения влаги или других факторов окружающей среды. Углеродные составные резисторы, в частности, могут значительно дрейфовать с течением времени.

Нестабильность Bias Point

В то время как дегенерация излучателя улучшает стабильность смещения, неправильная реализация все еще может привести к проблемам с точкой смещения.Недостаточное сопротивление излучателя может не обеспечить адекватную стабилизацию, в то время как чрезмерное сопротивление может привести к тому, что транзистор будет работать за пределами своей оптимальной области или даже отключится.

При диагностике проблем смещения измеряйте напряжения постоянного тока в основании, излучателе и коллекторе. Сравните их с расчетными значениями и проверьте, что транзистор работает в своей активной области с достаточным запасом напряжения для качения сигнала. Отрегулируйте сеть резисторов смещения, если это необходимо для восстановления правильной работы.

Пример дизайна: этап аудиоусилителя

Давайте рассмотрим полный пример дизайна, чтобы проиллюстрировать практическое применение принципов дегенерации излучателя. Мы разработаем одноступенчатый аудиоусилитель со следующими характеристиками:

Шаг 1: Выберите операционную точку

Выберите ток коллектора 1 мА для хорошей линейности и низкого шума. Выделите 12 В питания следующим образом: 4 В через резистор коллектора, 4 В через транзистор (V]CE) и 4 В через резистор излучателя. Это обеспечивает хорошую способность к качению сигнала.

Шаг 2: Вычислите значения резистора

Коллекционный резистор: RC = 4 В / 1 мА = 4 кОм (используется стандартное значение 3,9 кОм)

Для получения 15: RE = RC / 15 = 3,9 кОм / 15 ≈ 260 Ω (используется стандартное значение 270 Ω)

Однако нам нужно дополнительное сопротивление излучателя для устойчивости смещения постоянного тока. Используйте расщепленную конфигурацию: RE1 = 270 Ω (без обхода) и RE2 = 3,6 кОм (без обхода), давая в общей сложности 3,87 кОм для смещения постоянного тока.

Шаг 3: Проектирование сети предубеждений

Напряжение эмиттера: VE = 1 мА × 3,87 кОм ≈ 3,9 В

Базовое напряжение: VB = VE + 0,7 В = 4,6 В

Спроектируйте делитель напряжения, чтобы нарисовать примерно в 10 раз больше тока основания (10 мкА × 10 = 100 мкА):

R2 = 4,6 В / 100 мкА = 46 кОм (используется 47 кОм)

R1 = (12 В — 4,6 В) / 100 мкА = 74 кОм (используем 75 кОм)

Шаг 4: Выберите значения емкости

Вводимое импеданс: R в ≈ R1 | | R2 | | (β × RE1) ≈ 47 кОм | | 75 кОм | | (100 × 270 Ω) ≈ 15 кОм

Для низкочастотного отсечения 20 Гц: Cin = 1 / (2π × 20 Гц × 15 кОм) ≈ 0,53 мкФ (используй 1 мкФ)

Конденсатор с выходным соединением (при условии нагрузки 10 кОм): Cout = 1 / (2π × 20 Гц × 10 кОм) ≈ 0,8 мкФ (используется 1 мкФ)

Конденсатор обхода: CE = 1/ (2π × 20 Гц × 3,6 кОм) ≈ 2,2 мкФ (используем 10 мкФ для маржи)

Эта конструкция обеспечивает стабильный прирост примерно 15, хорошее входное сопротивление и плоскую частотную реакцию по всей аудиодиапазону.Дегенерация излучателя обеспечивает согласованную производительность по различным транзисторам и колебаниям температуры.

Сравнение с другими методами стабилизации

Вырождение эмиттера — один из нескольких методов, используемых для стабилизации и линеаризации транзисторных усилителей.Понимание того, как он сравнивается с альтернативными подходами, помогает конструкторам подобрать наиболее подходящий метод для их применения.

Глобальная отрицательная обратная связь: Применение обратной связи от выхода к входу многоступенчатого усилителя может обеспечить аналогичные преимущества стабильности и линейности. Однако глобальная обратная связь может вводить проблемы стабильности и требует тщательной компенсации для предотвращения колебаний.

Постоянное токообразование: Использование источника тока для смещения обеспечивает отличную стабильность постоянного тока, но не обязательно улучшает линейность переменного тока. Вырожденная дегенерация касается как производительности постоянного тока, так и производительности переменного тока. Эти два метода могут быть объединены для достижения оптимальных результатов.

Дифференциальная конфигурация пар: Дифференциальные усилители обеспечивают превосходный отказ и стабильность в обычном режиме, но они требуют согласованных транзисторов и более сложных схем.Эмиттерная дегенерация может быть применена к дифференциальным парам для дальнейшего повышения их производительности.

Заключение

Вырождение эмиттера — фундаментальный и мощный метод в конструкции аналоговых схем, значительно улучшающий производительность и надежность биполярных транзисторных усилителей.Внедряя контролируемую отрицательную обратную связь через необходимый излучатель-резистор, конструкторы могут добиться стабильного усиления, улучшенной линейности, снижения искажений и лучшей температурной компенсации.

Основной компромисс — снижение усиления напряжения — обычно более чем компенсируется многочисленными преимуществами. Прирост становится предсказуемым и зависит от внешних соотношений резисторов, а не от переменных параметров транзистора, что делает конструкции более технологичными и надежными. Увеличение входного импеданса снижает эффекты нагрузки, в то время как расширенная полоса пропускания приносит пользу высокочастотным приложениям.

Понимание теории, расчетов и практического осуществления дегенерации излучателя необходимо для любого, кто работает с аналоговой электроникой.Будь то проектирование аудиоусилителей, радиочастотных схем, приборных систем или любое другое применение с участием биполярных транзисторов, дегенерация излучателя обеспечивает проверенный метод для достижения производительности профессионального качества.

Современная схема проектирования продолжает опираться на эти фундаментальные принципы, даже по мере развития технологий. В то время как интегральные схемы и более сложные топологии появились, основная концепция дегенерации излучателя остается актуальной и широко используется. Освоение этой техники обеспечивает прочную основу для понимания более продвинутых концепций аналогового дизайна и позволяет создавать надежные, высокопроизводительные схемы усилителя.

Для дальнейшего чтения по дизайну транзисторных усилителей и связанным с ними темам рассмотрите возможность изучения ресурсов из Аналоговых устройств , Техасских приборов и Электронные учебники , которые предлагают обширные примечания к применению, руководства по дизайну и учебные материалы по методам проектирования аналоговых схем.